EP2041388B1

EP2041388B1 - Sonnenschutzvorrichtung mit winkelselektiver transmission

Info

Publication number: EP2041388B1
Application number: EP07722527.4A
Authority: EP
Inventors: Tilmann Kuhn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-07-01
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: DE102007013331A1; US9051771B2; US20090199888A1; EP2041388A1; WO2008003281A1; JP5350234B2; JP2009541623A

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sonnenschutzvorrichtung, insbesondere eine Verglasung, die wenigstens eine erste Strukturschicht aus einem opaken oder nur teilweise lichtdurchlässigen Material auf einer optisch transparenten dielektrischen Schicht oder Schichtfolge und eine zweite Strukturschicht aus einem opaken oder nur teilweise lichtdurchlässigen Material umfasst, wobei die erste und die zweite Strukturschicht unter Bildung von Lichtdurchgangsöffnungen oder - bereichen und lichtundurchlässigen oder lichtschwächenden Bereichen strukturiert sind.
Im Fassadenbau - insbesondere bei Bürobauten - hat der Anteil der verglasten Flächen in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Dies kann neben dem positiven Effekt eines höheren Tageslichtangebots allerdings auch zu einer Überhitzung der Büroräume führen, weshalb ein ausreichender Sonnenschutz vorgesehen werden muss. Dieser Sonnenschutz sollte einerseits zumindest teilweise eine Durchsicht nach außen erlauben und zu einer guten Raumausleuchtung führen, aber andererseits auch ausreichend Sonnenschutz bieten und Blendung vermeiden.

Stand der Technik

Neben flexiblen, verstellbaren Bauarten von Sonnenschutzvorrichtungen wie Jalousien oder textilen Rollos existieren auch feststehende oder bewegliche Behänge. So zeigen die DE 101 61 159 A1 und die DE 101 39 583 A1 Sonnenschutzvorrichtungen, die aus einer parallelen Anordnung horizontaler Metallstäbe aufgebaut sind, deren Querschnittsgeometrie hinsichtlich der Lichtlenkung optimiert ist. Durch einen Abstand zwischen den Stäben wird gleichzeitig die Durchsicht ermöglicht.
Kommerziell sind Verbundglasscheiben erhältlich, in die ein Streckmetall mit Durchgangsschlitzen einlaminiert ist. Die Durchgangsschlitze entstehen durch streckende Verformung eines Metallbleches in das vorher entsprechende Schnitte eingebracht wurden. Eine derartige Sonnenschutzvorrichtung ist bspw. auch in der US 3 453 039 in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 dieser Druckschrift kurz angesprochen, die sich mit einer Sonnenschutzvorrichtung ohne durchgängige Öffnungen befasst.
Weiterhin sind kommerziell Verglasungen mit Sonnenschutzfunktion erhältlich, die mit einem Siebdruckmuster oder mit einem Muster aus Dünnschichtsolarzellen beschichtet sind, wobei zwischen den opak oder transluzent bedruckten Bereichen Lichtdurchgangsöffnungen vorhanden sind, durch die eine Durchsicht möglich ist. Derartige Verglasungen ermöglichen jedoch keine winkelselektive Transmission der Sonnenstrahlung.
Die DE 196 11 060 A1 offenbart eine Sonnen- und Blendschutzvorrichtung, die die Möglichkeit der Regelung der Intensität des eingestrahlten Lichts bietet. Diese Sonnen- und Blendschutzvorrichtung weist zwei gegeneinander verschiebbare Scheiben oder Platten auf, die jeweils an der der anderen Scheibe oder Platte zugewandten Seite mit einer Strukturschicht aus einem optisch nicht transparenten Material versehen sind, wobei die beiden Strukturschichten unter Bildung von Lichtdurchgangsöffnungen und lichtundurchlässigen Bereichen strukturiert sind. Durch Verschieben der beiden Scheiben oder Platten wird der Anteil der Fläche, bei der eine Lichtdurchgangsöffnung durch den lichtundurchlässigen Bereich der anderen Scheibe überdeckt wird, kontinuierlich verändert. Auf diese Weise kann der Lichtdurchlass zwischen einem maximalen und einem minimalen Lichtdurchlass eingestellt werden. Über die Breite des mit Luft gefüllten Zwischenraumes zwischen den beiden Scheiben bzw. Strukturschichten kann der Anteil an diffusem Licht im Verhältnis zu direkt einstrahlendem Licht vorgewählt werden.
Die EP 0 170 472 A2 offenbart eine transparente oder transluzente Scheibe, auf der auf einer Seite ein Design aufgebracht ist, das von der anderen Seite nicht sichtbar sein soll. Auch auf eine zusätzliche Sonnenschutzfunktion mit ersten und zweiten bspw. als horizontale Streifen ausgebildeten opaken Strukturelementen wird in dieser Druckschrift verwiesen. Diese Strukturelemente können dabei auch durch Solarzellen gebildet sein.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sonnenschutzvorrichtung anzugeben, die eine winkelselektive Transmission optischer Strahlung, insbesondere von einfallender Sonnenstrahlung, ermöglicht und ohne bewegliche Teile auskommt.
Die Aufgabe wird mit der Sonnenschutzvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Sonnenschutzvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Sonnenschutzvorrichtung umfasst wenigstens eine erste Strukturschicht aus einem optisch opaken oder nur teilweise lichtdurchlässigen Material auf einer optisch transparenten dielektrischen, d. h. optisch brechenden, Schicht oder Schichtfolge zumindest annähernd konstanter Dicke und eine zweite Strukturschicht aus einem optisch opaken oder nur teilweise lichtdurchlässigen Material, wobei die erste und die zweite Strukturschicht unter Bildung von Lichtdurchgangsöffnungen oder Lichtdurchgangsbereichen und lichtundurchlässigen oder lichtschwächenden Bereichen strukturiert sind. Unter einem nur teilweise lichtdurchlässigen Material wird dabei ein transparentes oder transluzentes Material verstanden, mit dem die Strukturschicht in der gewählten Schichtdicke einen Lichtransmissionsgrad von ≤ 40%, vorzugsweise ≤ 10 %, besonders bevorzugt ≤ 3%, für die einfallende Strahlung aufweist. Dies wird durch Wahl eines Materials erreicht, das die einfallende Strahlung zu einem ausreichenden Prozentsatz reflektiert und/oder absorbiert.
Bei der vorgeschlagenen Sonnenschutzvorrichtung ist die zweite Strukturschicht auf einer der ersten Strukturschicht gegenüber liegenden Seite der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge in direktem Kontakt mit der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge mit dieser verbunden. Die beiden damit fest bzw. statisch zueinander angeordneten Strukturschichten sind derart strukturiert, dass unter einem vorgegebenen Winkelbereich auf die zweite Strukturschicht auftreffende optische Strahlung durch Zusammenwirkung der beiden Strukturschichten blockiert oder zumindest - bei Verwendung eines nur teilweise lichtdurchlässigen Materials - entsprechend abgeschwächt wird und ein Anteil optischer Strahlung, der unter einem anderen Winkelbereich auf die zweite Strukturschicht auftrifft, die Strukturschichten über die Lichtdurchgangsöffnungen oder -bereiche ungehindert passieren kann. Die Winkelbereiche sind dabei in einer Bezugsebene definiert, die senkrecht zur zweiten Strukturschicht liegt, d. h. senkrecht zu der zur Seite der einfallenden Strahlung gerichteten Oberfläche der Sonnenschutzvorrichtung. Die zweite Strukturschicht stellt dabei die nach außen, d.h. zum Sonnenlicht, gewandte Schicht der Sonnenschutzvorrichtung dar.
Die lichtundurchlässigen Bereiche der zweiten Strukturschicht sind aus Solarzellen gebildet, wobei die zur zweiten Strukturschicht gerichtete Innenseite der ersten Strukturschicht reflektierend ausgeführt ist, so dass die zweite Strukturschicht durch auf die Innenseite der ersten Strukturschicht auffallende optische Strahlung indirekt beleuchtet wird.
Mit der vorgeschlagenen Sonnenschutzvorrichtung kann gleichzeitig Sonnenschutz, Durchsicht und - für die meisten Sonnenstände - auch Blendschutz erreicht werden. Die statische Sonnenschutzvorrichtung kommt vollständig ohne gegeneinander bewegliche Komponenten aus. Die winkelselektive Transmission wird alleine durch geeignete Dimensionierung der beiden Strukturschichten in Zusammenwirkung mit der zwischenliegenden Licht brechenden Schicht oder Schichtfolge erreicht, mit der die Strukturschichten verbunden sind. Erst durch dieses lichtbrechende Medium zwischen den beiden Strukturschichten kann eine ausreichende Blendschutzwirkung für Sonnenstrahlung bei gleichzeitig ungehindertem Durchblick nach unten über die Dimensionierung der Strukturschichten erreicht werden.
In der einfachsten Ausgestaltung setzt sich die Sonnenschutzvorrichtung aus der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge mit den beidseitig aufgebrachten Strukturschichten zusammen. Die transparente Schicht oder Schichtfolge kann dabei, wie auch bei allen nachfolgenden Ausgestaltungen, durch eine Scheibe aus einem transparenten Glas- oder Kunststoffmaterial (bspw. Acrylglas oder Polykarbonat) gebildet sein. Die Strukturen der beiden Strukturschichten bilden ein Streifenmuster aus parallelen Streifen aus dem opaken oder nur teilweise lichtdurchlässigen Material. Die Strukturen der beiden Strukturschichten weisen dabei die gleiche Periodizität auf. Sie können bspw. mit einer Siebdrucktechnik aufgebracht sein. Auch die Nutzung von Klebestreifen ist für die erste Strukturschicht möglich, wobei dann bevorzugt Streifen aus Metall oder Kunststoff eingesetzt werden. Zur verbesserten Aufbringung von Klebestreifen können diese an bestimmten Stellen über dünne Stege miteinander verbunden sein, so dass der Abstand der Streifen beim Prozess des Aufbringens bzw. Aufklebens ausreichend fixiert ist.
Die lichtundurchlässigen Bereiche der zweiten Strukturschicht sind durch Photovoltaik-Solarzellen gebildet. Hierfür eignen sich besonders amorphe Solarzellen.
Die Streifen der ersten Strukturschicht können innen und außen unterschiedliche Farben haben, wobei mit außen die im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Sonnenschutzvorrichtung zur Strahlung gerichtete Seite, bspw. die Außenseite eines Fassadenelementes oder Fensters, und mit innen die der Strahlung abgewandte Seite, d. h. bspw. die Innenseite eines Fassadenelements oder Fensters, bezeichnet ist. Die Erzielung unterschiedlicher Farben lässt sich bspw. bei Aufbringung der Schichtstrukturen mittels Siebdruck durch Doppeldruck erreichen. Dabei wird zunächst die von der einen Seite sichtbare Farbe aufgedruckt und dann darüber die von der Rückseite sichtbare Farbe. Die Technik des Doppeldrucks ist bekannt und wird bei Siebdruckscheiben bereits eingesetzt. Bei der bestimmungsgemäßen Anwendung der vorgeschlagenen Sonnenschutzvorrichtung ist es dabei sinnvoll, wenn der Siebdruck nach außen aus Sonnenschutzgründen hoch reflektierend ist, bspw. weiß, und nach innen aus Blendschutzgründen dunkler, bspw. lichtgrau. Durch Doppeldruck lässt sich eine mit der Sonnenschutzvorrichtung verkleidete Fassade nach außen beliebig gestalten, ohne den Nutzer zu stören. In dem beispielhaften Fall wird durch eine weiße Außenseite der ersten Strukturschicht die Innenseite der äußeren (zweiten) Strukturschicht indirekt beleuchtet. Das wirkt sich positiv auf die Tageslichtversorgung für einen Innenraum aus, wenn die Rückseite der äußeren Strukturschicht nicht zu dunkel ausgeführt ist. Hier kann ein Kompromiss zwischen Blendschutz/Durchsicht (= dunkle Rückseite) und Tageslichtversorgung (= helle Rückseite) gefunden werden.
In einer Weiterbildung der vorgeschlagenen Sonnenschutzvorrichtung, insbesondere bei Einsatz amorpher Solarzellen in der zweiten Strukturschicht, ist die zweite Strukturschicht auf der der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge gegenüber liegenden Seite mit einer zweiten optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge verbunden. Auch diese zweite optisch transparente Schicht oder Schichtfolge ist vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffscheibe. In diesem Fall können die Strukturen bzw. Streifen der zweiten Strukturschicht dann bei der Herstellung zunächst auf diese zweite transparente Schicht oder Schichtfolge aufgebracht werden, bspw. mittels Siebdruck, bevor die Verbindung mit der ersten transparenten Schicht- oder Schichtfolge erfolgt. Der gesamte Aufbau ist dabei vorzugsweise als Verbundglasscheibe realisiert, bei dem die beiden Glas- oder Kunststoffscheiben mit der zwischenliegenden zweiten Strukturschicht über eine Klebefolie (z.B. PVB-Folie) miteinander verbunden werden. Die Klebefolie sollte hierbei einen Brechungsindex aufweisen, der nahe am Brechungsindex des verwendeten Glas- oder Kunststoffmaterials der beiden Scheiben liegt, um zusätzliche größere Brechungseffekte für die optische Strahlung zu vermeiden. Selbstverständlich ist auch der Einsatz anderer Verbindungstechniken möglich, beispielsweise durch Einsatz eines viskosen Klebers.
Bei der vorgeschlagenen Sonnenschutzvorrichtung lassen sich auch auf der Innenseite, d. h. auf der noch freien Seite der ersten Strukturschicht, weitere optisch transparente Schichten oder Schichtfolgen anbringen. Hier ist auch die Verwendung von Schichten mit bestimmter Farbe möglich, um ästhetischen Ansprüchen Rechnung zu tragen. Diese innere Schicht oder Schichtfolge, in der vorliegenden Patentanmeldung als dritte Schicht oder Schichtfolge bezeichnet, hat keine weitere Abschattungsfunktion. Sie kann ebenfalls aus einer Glas- oder Kunststoffscheibe, ggf. mit zusätzlicher Beschichtung, gebildet sein. In diesem Fall ist die Sonnenschutzvorrichtung vorzugsweise als Verbundglasscheibe mit drei Glas- oder Kunststoffscheiben realisiert, die über Klebefolien miteinander verbunden sind und zwischen denen die Strukturschichten liegen.
Auch die Ausgestaltung der vorgeschlagenen Sonnenschutzvorrichtung als Isolierverglasung oder als Mehrfachverglasung (z.B. Doppelverglasung oder Dreifachverglasung) ist möglich. Im Falle der Doppelverglasung bildet die aus den beiden Strukturschichten und den ein oder mehreren optisch transparenten Schichten oder Schichtfolgen aufgebaute Komponente vorzugsweise die äußere Scheibe der Doppelverglasung. Auch eine Nutzung als innere Scheibe - oder im Falle von mehr als zwei Scheiben als Zwischenscheibe - ist selbstverständlich möglich. Zwischen diesem äußeren Verglasungselement und einem inneren Verglasungselement, einer Glas- oder Kunststoffscheibe, ist ein mit Gas oder einer Gasmischung gefüllter Zwischenraum vorhanden, der vorzugsweise hermetisch abgeschlossen ist. Als Gas oder Gasmischung kommen hierbei in bekannter Weise bspw. Luft, Argon oder Krypton in Betracht. Die an diesen Zwischenraum grenzende Seite des äußeren Verglasungselementes oder die an diesen Zwischenraum grenzende Seite des inneren Verglasungselementes kann dabei zusätzlich beschichtet sein, bspw. mit einer Wärmeschutzbeschichtung (z.B. Low-E Soft-Coating).
Die vorgeschlagene Sonnenschutzvorrichtung lässt sich generell als Verglasungselement für alle Fassadenbereiche einsetzen, die verglast werden sollen. Bevorzugt wird die Sonnenschutzvorrichtung in Bereichen eingesetzt, die nicht unmittelbar zur Aussicht dienen. Weiterhin bieten sich insbesondere Brüstungsbereiche von Glasfassaden oder Balkonbrüstungen sowohl im Wohnungs- als auch im Nichtwohnungsbau als Anwendungsfelder an. Durch Verwendung von Dünnschichtsolarzellen für die lichtundurchlässigen Bereiche der zweiten Strukturschicht wird eine Optimierung der Eigenschaften von Verglasungen mit Dünnschicht-Solarzellen erreicht.
Die Sonnenschutzvorrichtung lässt sich unter Verwendung der üblichen Fertigungstechnologien des Fenster- und Fassadenbaus in Form einer aus einer oder mehreren der transparenten Schichten bestehenden Einzelscheibe oder als Isolier- oder Mehrfachverglasung herstellen.
Die Streifen der beiden Strukturschichten sind bei der vorgeschlagenen Sonnenschutzvorrichtung so dimensioniert, dass beim Einsatz dieser Sonnenschutzvorrichtung von oben einfallendes Sonnenlicht durch die lichtundurchlässigen oder nur teilweise lichtdurchlässigen Streifen der beiden Strukturschichten blockiert oder zumindest um ≥ 60%, vorzugsweise um ≥ 90%, besonders bevorzugt um ≥ 97%, abgeschwächt wird, während der direkte Durchblick nach unten weiterhin gewährleistet ist. Die lichtundurchlässigen oder nur teilweise lichtdurchlässigen Bereiche der zweiten Strukturschicht nehmen dabei insgesamt eine kleinere Fläche auf der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge ein als die lichtundurchlässigen oder nur teilweise lichtdurchlässigen Bereiche der ersten Strukturschicht. Durch die Breite, den Abstand und den gegenseitigen Versatz der Streifen der beiden Strukturschichten lassen sich die Winkelbereiche der einfallenden Sonnenstrahlung festlegen, die nicht oder zumindest stark geschwächt durch die Sonnenschutzvorrichtung gelangen, und die Winkelbereiche einstellen, in denen ein Anteil der Strahlung ungehindert durch die Sonnenschutzvorrichtung gelangen kann. Die vier Freiheitsgrade für die Geometrie dieser Strukturschichten lassen sich durch Spezifikation von Bereichen für vier Winkel α, β, γ, und σ angeben, wie dies in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert ist. Die Winkelbereiche beziehen sich auf die Bezugsebene und sind relativ zur Flächennormale auf die Schichten der Sonnenschutzvorrichtung angegeben.
Beim Einsatz der Sonnenschutzvorrichtung hängt die geeignete Dimensionierung und Ausrichtung der Streifen auch von der Orientierung der Sonnenschutzvorrichtung bzw. der Seite des Bauwerks ab, an der die Sonnenschutzvorrichtung eingesetzt wird. Bei senkrechten Fassaden, d. h. bei senkrechter Aufstellung der Sonnenschutzvorrichtung stellt die Flächennormale der Sonnenschutzvorrichtung auch die Horizontale dar, gegenüber der der maßgebliche Profilwinkel der Sonne definiert ist. Bei nicht senkrecht stehenden, d. h. geneigten Fassaden, ergibt sich eine durch die Neigung bedingte Abweichung, die jedoch der Fachmann ohne Weiteres bei der Dimensionierung der vorliegenden Sonnenschutzvorrichtung berücksichtigen kann.
Für eine optimale Schutzwirkung können die Streifen beim Einsatz der Sonnenschutzvorrichtung auch schräg zur Horizontalen verlaufen, wenn die Flächennormale der Sonnenschutzvorrichtung bzw. Fassade nicht genau in Richtung Süden ausgerichtet ist. Je stärker die Fassadenorientierung von der Südrichtung abweicht, desto stärker können auch die Streifen gegenüber der Horizontalen geneigt sein. Die Streifen sind daher an einer vertikalen Südfassade bevorzugt horizontal ausgerichtet, während sie an nicht nach Süden orientierten Fassaden aus der Horizontalen entsprechend stark gedreht sind.
In einer Ausgestaltung der Sonnenschutzvorrichtung, bei der die erste Strukturschicht aus einem nur teilweise lichtdurchlässigen Material gebildet ist, wird vorzugsweise ein dunkles, im Wesentlichen klares durchsichtiges Material gewählt, das einen gerichtet diffusen Transmissionsgrad aufweist, der weniger als 20% des gesamten Transmissionsgrades des Materials ausmacht. Ein Beispiel hierfür ist ein Folienmaterial mit einem Gesamt-Transmissionsgrad von 2%. Auf diese Weise kann noch ein in vielen Fällen ausreichender Blendschutz bei gleichzeitiger geringer Durchsicht nach oben erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird für die erste Strukturschicht ein im Transmissionsgrad schaltbares Material eingesetzt, z.B. ein elektrochromes oder ein gaschromes Material. Bei einem derartigen Material lässt sich der Transmissionsgrad in einem weiten Bereich, bspw. im Bereich zwischen 1% und 70%, steuern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Sonnenschutzvorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1: ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der Sonnenschutzvorrichtung;
Fig. 2: das Beispiel der Figur 1 mit allgemeinen Winkelangaben;
Fig. 3: ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der Sonnenschutzvorrichtung;
Fig.4: ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung der Sonnenschutzvorrichtung;
Fig. 5: ein viertes Beispiel für eine Ausgestaltung der Sonnenschutzvorrichtung; und
Fig. 6: ein Beispiel für unterschiedliche Orientierungen der Streifen der Sonnenschutzvorrichtung bei unterschiedlicher Ausrichtung der Fassade.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt in einem Ausschnitt eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Sonnenschutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie als Verglasung oder Fassadenelement eingesetzt werden kann. Bei diesem Beispiel wurde eine vertikale Fassade angenommen, an der die Sonnenschutzvorrichtung angebracht ist.
Die Sonnenschutzvorrichtung weist in diesem Beispiel eine erste optisch transparente Schichtfolge aus einer Glasscheibe 1 und einer Verklebungsfolie 7 auf. Die Glasscheibe 1 ist auf der Innenseite mit einer ersten Strukturschicht 5 und auf der Außenseite über die Verklebungsfolie 7 mit einer zweiten Strukturschicht 6 verbunden. Auf der zweiten Strukturschicht 6 ist eine zweite transparente Schicht 2 angeordnet, die die Außenseite der Sonnenschutzvorrichtung bildet und bspw. ebenfalls eine Glasscheibe sein kann. Die in der Sonnenschutzvorrichtung eingebettete zweite Strukturschicht 6 setzt sich aus einem Streifenmuster aus lichtundurchlässigen Streifen 13 zusammen, zwischen denen Lichtdurchgangsöffnungen 14 als ebenfalls parallel verlaufende Schlitze ausgebildet sind. Auch die die Innenseite der Sonnenschutzvorrichtung bildende erste Strukturschicht 5 setzt sich aus entsprechenden Streifen 12 und Lichtdurchgangsöffnungen 14 zusammen. In der Figur ist hierbei jeweils nur die Breite der Streifen 12, 13 zu erkennen, wobei sich die Streifen in Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene erstrecken.
Bei der Dimensionierung der Streifen 12, 13 der beiden Strukturschichten 5, 6 der Sonnenschutzvorrichtung kann von oben einfallendes Licht 15 nicht durch die Sonnenschutzvorrichtung in den Innenraum eindringen, auch nicht wenn es streifend einfällt. Dies ist anhand des in der Figur 1 dargestellten Strahlverlaufes angedeutet. Ein Beobachter 16 hat dennoch von Innen eine komplett freie Sicht durch die Sonnenschutzvorrichtung von der Horizontalen bis nach unten, wie ebenfalls in der Figur 1 angedeutet ist. Quasi streifend einfallendes Licht 17 verläuft in dem optisch transparenten Material der Sonnenschutzvorrichtung unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion σ_Grenz. Sehr hoch stehende Sonne kann daher bei dieser Ausgestaltung nicht direkt in den Innenraum scheinen, weil das Licht flacher als σ_Grenz durch das optisch transparente Material laufen würde. Für den Fall von Glasscheiben (n ≈ 1,55) ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion von 40-42°. Auf der anderen Seite kann ein unter dem Winkel σ gegenüber der Flächennormale 18 einfallender Lichtstrahl gerade noch ungehindert passieren. Dies entspricht einer bereits sehr tief stehenden Sonne. Die Flächennormale 18 entspricht bei dieser Ausgestaltung auch der Horizontalen. Dies ist jedoch bei nicht vertikal verlaufenden Fassaden bzw. nicht vertikaler Anordnung der Sonnenschutzvorrichtung nicht der Fall (vgl. z.B. Fig. 6).
Figur 2 zeigt daher die für die Ausgestaltung der Sonnenschutzvorrichtung relevanten Winkel in allgemeiner Form. Der Aufbau der Sonnenschutzvorrichtung ist der Figur 2 ist identisch dem Aufbau der Sonnenschutzvorrichtung der Figur 1, wobei als Verklebungsfolie 7 PVB mit einem Brechungsindex von n = 1,5 eingesetzt wird. Die Sonne soll ab einem bestimmten Profilwinkel σ_p ausgeblendet werden. Im vorliegenden Beispiel wird hierbei eine Südfassade angenommen, bei der die Streifen 12, 13 der Strukturschichten 5, 6 horizontal verlaufen. In der Darstellung der Figur 2 ist nur beispielhaft die Horizontale 19 parallel zur Flächennormale 18 eingezeichnet.
Die Winkel α*, β* und σ* werden gegen die Horizontale 19 gemessen, nicht gegen die Flächennormale 18 der Fassade bzw. Sonnenschutzvorrichtung. Die Winkel α, β, γ und σ sind gegen die Flächennormale 18 definiert. Bei geneigten Fassaden (z.B. Dachverglasung) stimmen die Flächennormale 18 und die Horizontale 19 nicht überein. Sämtliche Winkel beziehen sich auf eine senkrecht zu den Schichtebenen der einzelnen Schichten bzw. zur Oberfläche der Sonnenschutzvorrichtung orientierte Bezugsebene, in den vorliegenden Beispielen die Zeichnungs- bzw. Blattebene. Bei nicht in dieser Bezugsebene einfallender Sonnenstrahlung gelten die Winkelangaben für die Projektion des Strahlungsvektors in die Bezugsebene (Profilwinkel).
Die vier Winkel α, β, γ und σ sind jeweils zur Flächennormale 18 der Sonnenschutzvorrichtung definiert. Die Winkel α und γ spezifizieren die Lage der Oberkante des jeweiligen Streifens der zweiten Strukturschicht 6 gegenüber den beiden Streifenkanten des jeweils nächstliegenden Streifens der ersten Strukturschicht 5. Der Winkel β definiert die Neigung der Verbindungslinie zwischen den Unterkanten der nächstliegenden Streifen der ersten 5 und zweiten Strukturschicht 6, der Winkel σ die Neigung der Verbindungslinie zwischen der Unterkante der Streifen der zweiten Strukturschicht 6 und der Oberkante des jeweils darunter liegenden Streifens der ersten Strukturschicht 5 (vgl. Fig. 2).
Die Winkel α*, β*, y* und σ* ergeben sich mit Hilfe des Brechungsgesetztes aus den Winkeln α, β, γ und σ (oder umgekehrt) in der folgenden allgemeinen Form: $\sin (ξ *) / \sin (ξ) = n_{Material} / n_{Umgebung} .$
Dabei wurde angenommen, dass der Brechungsindex der Verklebungsschicht 7 sehr gut mit dem Brechungsindex des Glases übereinstimmt. Wenn das nicht der Fall ist, müssen die weiteren Brechungen an den Grenzflächen berücksichtigt werden. Dies ist jedoch in einfacher Weise mit dem Brechungsgesetz möglich. Bei Mikrostrukturen, d.h. Mikrostreifen, gilt das Brechungsgesetz aufgrund der Beugungserscheinungen nicht ohne weiteres. Die hier vorgeschlagenen Strukturen lassen sich aber dennoch einsetzen. In diesem Fall muss dann der Grenzwinkel σ_Grenz der Totalreflexion etwas größer angenommen werden als er sich aus der geometrischen Optik ergibt, damit dennoch eine ausreichende Ausblendung der Sonnenstrahlung gewährleistet ist.
Der Winkel β* gibt an, ab welchem Winkel die Sonne durch streifenden Einfall an den Streifen der Schichtstrukturen durch die Sonnenschutzvorrichtung dringen kann.
Der Winkel β sollte so eingestellt werden, dass sich aufgrund des Brechungsgesetzes folgende Winkel für β* ergeben: -20° ≤ β* ≤ 20°, besonders bevorzugt -10° ≤ β* ≤ 0°. Varianten mit 60° > |β*| > 20° sind ebenfalls möglich. Hierbei handelt es sich jedoch um verschlechterte Ausführungsformen. Die Winkelangaben für β* gelten unabhängig von der Neigung der Fassade. Sie leiten sich alleine aus den möglichen Sonnenpositionen ab.
Der Winkel α sollte so eingestellt werden, dass sich aufgrund des Brechungsgesetztes folgende Bereiche für α* einstellen: -20° ≤ α* ≤ 90°, bevorzugt 0° ≤ α* ≤ 90°, besonders bevorzugt 45° ≤ α* ≤ 90°. α ist dann automatisch kleiner als σ_Grenz . Optimal liegt α* bei 90°, d. h. α = σ_Grenz.
Für den Winkel γ werden vorzugsweise folgende Bereiche gewählt: -30° ≤ γ ≤ 80°, bevorzugt σ_Grenz ≤ γ ≤ 80°, besonders bevorzugt σ_Grenz ≤ γ ≤ σ_Grenz +20°. Im optimalen Fall stimmt γ mit σ_Grenz überein.
Varianten, bei denen α größer als σ_Grenz ist, sind verschlechterte Ausführungsformen, weil dann die Spalte bzw. Schlitze der ersten Strukturschicht weiter unten liegen müssen, damit kein Licht von oben durchscheinen kann. Dies hat einen kleineren Flächenanteil der freien Fläche auf der Innenseite zur Folge und bewirkt damit eine schlechtere Transparenz. Varianten, bei denen γ kleiner als σ_Grenz ist, sind ebenfalls verschlechterte Ausführungsformen, da die Sonne von oben durch das Element scheinen kann.
Der Abstand D der Strukturelemente bzw. Streifen der ersten Schichtstruktur sollte unabhängig von der Neigung der Fassade so gewählt werden, dass die direkte Sonne ab einem Profilwinkel σ_p von -20° ≤ σ_p = σ* ≤ 70°, bevorzugt 0° ≤ σ_p = σ* ≤ 45°, besonders bevorzugt 5° ≤ σ_p = σ* ≤ 25° ausgeblendet wird. Dies erfordert ebenso wie die Dimensionierung auf Basis der Winkel α*, β* und γ* die Kenntnis der Neigung der Fassade, an der die Sonnenschutzvorrichtung eingesetzt werden soll.
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltungsmöglichkeit der vorliegenden Sonnenschutzvorrichtung. Im Unterschied zu den Figuren 1 und 2 ist bei dieser Ausgestaltung eine weitere optisch transparente Schichtfolge an der Innenseite angebracht. Diese dritte transparente Schichtfolge setzt sich im vorliegenden Beispiel aus einer Glasscheibe 3 und einer Verklebungsfolie 8 zusammen, bspw. aus PVB. Figur 3 zeigt somit eine 3-fach VSG-Scheibe (Verbundglasscheibe), in der die Strukturschichten 5, 6 vollkommen eingeschlossen sind.
In dem Beispiel der Figur 3 wurde die Optimalform der Strukturen bzw. Streifen für den Fall von Glasscheiben mit n = 1,5 als optisch transparente Schichten bemaßt. Die beispielhaften Maße und Winkel sind der Figur entnehmbar. Im Falle einer anderen Dicke der mittleren Glasscheibe 1 verändert sich die Höhe und der Abstand der Streifen 12, 13 entsprechend. Die Winkel bleiben gleich.
Die Figuren 4 und 5 zeigen schließlich Ausgestaltungsmöglichkeiten der Sonnenschutzvorrichtung, bei der diese in einer Doppelverglasung eingesetzt wird. Hierzu bildet die Schichtfolge mit den transparenten Schichten bzw. Scheiben 1 bis 3 und den Strukturschichten 5 und 6 ein äußeres Verglasungselement 9 der Doppelverglasung. Zwischen dem inneren Verglasungselement 4, einer Glasscheibe, und dem äußeren Verglasungselement 9 ist ein hermetisch geschlossener Zwischenraum 10 ausgebildet, der bspw. eine Dicke von 16 mm aufweisen und mit Argon gefüllt sein kann. Im Beispiel der Figur 4 ist die Innenseite des äußeren Verglasungselementes 9 mit einer zusätzlichen Beschichtung 11, bspw. mit einer Wärmeschutzbeschichtung (z.B. Low-E Soft-Coating), versehen.
Die Ausgestaltung der Figur 5 zeigt demgegenüber den gleichen Aufbau der Doppelverglasung, wobei hier jedoch die Beschichtung 11 auf der Außenseite des zweiten, inneren Verglasungselementes 4 vorgesehen ist. Diese Anordnung der Beschichtung 11 lässt sich kostengünstiger realisieren, da die Aufbringung auf konventionelle Glasscheiben einen Standardprozess darstellt. Bei einer anschließenden Laminierung, wie dies für das äußere Verglasungselement erforderlich ist, besteht die Gefahr einer Beschädigung der Beschichtung. Eine nachträglich auf das äußere Verglasungselement aufgebrachte Beschichtung erfordert wiederum einen speziellen Prozess für die speziell hergestellten äußeren Verglasungselemente und ist somit nicht so kostengünstig verfügbar wie eine herkömmliche Glasscheibe mit dieser Beschichtung.
An nicht nach Süden orientierten Fassaden sollten die Streifen 12, 13 der beiden Strukturschichten 5, 6 aus der Vertikalen bzw. Horizontalen gedreht sein, wie dies anhand der Figur 6 veranschaulicht ist (vgl. W. Lorenz, "A Glazing Unit for Solar Control, Day Lighting and Energy Conservation", Solar Energy Vol. 70, No. 2, pp. 109-130, 2001). In dieser Abbildung sind schematisch verschiedene Fassadenelemente 20 in unterschiedlicher Orientierung bzgl. der in der Figur angedeuteten Himmelsrichtungen beispielhaft nebeneinander dargestellt. Bei nicht exakt nach Süden orientieren Fassadenelementen wird eine Verdrehung der Streifen 12, 13 der Strukturschichten aus der Vertikalen bzw. Horizontalen bevorzugt, wie dies schematisch für die unterschiedlichen Orientierungen aus der Figur 6 ersichtlich ist.
Bevorzugt wird die gesamte Sonnenschutzvorrichtung so ausgestaltet, dass eine Durchsicht von Innen nach Außen unter den bestimmten Winkelbereichen, insbesondere nach unten, ermöglicht wird. Es ist jedoch auch möglich, eine oder mehrere der inneren Schichten nicht transparent sondern transluzent auszugestalten. Bei transluzenter Ausgestaltung dient die Struktur dann nur dem Blend- und Sonnenschutz. Licht kann von außen unten durch das Element gelangen.

Bezugszeichenliste

1: Glasscheibe
2: zweite transparente Schicht
3: Glasscheibe
4: inneres Verglasungselement
5: erste Strukturschicht
6: zweite Strukturschicht
7: Verklebungsfolie
8: Verklebungsfolie
9: äußeres Verglasungselement
10: Zwischenraum
11: Beschichtung
12: Streifen der ersten Strukturschicht
13: Streifen der zweiten Strukturschicht
14: Lichtdurchgangsöffnungen
15: von oben einfallendes Licht
16: Beobachter
17: streifend von unten einfallendes Licht
18: Flächennormale
19: Horizontale
20: Fassadenelement

Claims

Sonnenschutzvorrichtung, insbesondere Verglasung, die wenigstens eine erste Strukturschicht (5) aus einem opaken oder nur teilweise lichtdurchlässigen Material auf einer optisch transparenten dielektrischen Schicht oder Schichtfolge (1, 7) und eine zweite Strukturschicht (6) aus einem opaken oder nur teilweise lichtdurchlässigen Material umfasst, wobei die erste (5) und die zweite Strukturschicht (6) unter Bildung von Lichtdurchgangsöffnungen oder -bereichen (14) und lichtundurchlässigen oder lichtschwächenden Bereichen (12, 13) strukturiert sind,
wobei die zweite Strukturschicht (6) auf einer der ersten Strukturschicht (5) gegenüberliegenden Seite der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge (1, 7) mit dieser verbunden ist und die beiden strukturierten Schichten (5, 6) derart strukturiert sind, dass unter einem vorgegebenen Winkelbereich, der in einer senkrecht zu der zweiten Strukturschicht (6) orientierten Bezugsebene definiert ist, auf die zweite Strukturschicht (6) auftreffende optische Strahlung durch Zusammenwirkung der beiden Strukturschichten (5, 6) blockiert oder abgeschwächt wird und ein Anteil optischer Strahlung, der unter einem anderen Winkelbereich in Bezug auf die gleiche Bezugsebene auf die zweite Strukturschicht (6) auftrifft, die Strukturschichten (5, 6) ungehindert passieren kann,
wobei die lichtundurchlässigen Bereiche (13) der zweiten Strukturschicht (6) aus Solarzellen, insbesondere amorphen Solarzellen, gebildet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass eine zur zweiten Strukturschicht gerichtete Innenseite der ersten Strukturschicht reflektierend ausgeführt ist, so dass die zweite Strukturschicht durch auf die Innenseite der ersten Strukturschicht auffallende optische Strahlung indirekt beleuchtet wird.
Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Strukturschicht (6) auf einer der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge (1, 7) gegenüberliegenden Seite mit einer zweiten optisch transparenten dielektrischen Schicht oder Schichtfolge (2), insbesondere mit einer Glas- oder Kunststoff-Scheibe, verbunden ist.
Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optisch transparente Schicht oder Schichtfolge (1, 7) eine Glas- oder Kunststoff-Scheibe (1) mit einer Klebefolie (7) umfasst, über die die Glas- oder Kunststoff-Scheibe (1) mit der zweiten Strukturschicht (6) und der Glas- oder Kunststoff-Scheibe der zweiten optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge (2) fest verbunden ist.
Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden strukturierten Schichten (5, 6) derart strukturiert sind, dass bei einer senkrechten Anordnung von oben einfallendes Licht blockiert oder abgeschwächt wird und von unten einfallendes Licht zu einem bestimmten Anteil passieren kann.
Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die lichtundurchlässigen oder lichtschwächenden Bereiche (13) der zweiten Strukturschicht (6) eine kleinere Fläche einnehmen als die lichtundurchlässigen oder lichtschwächenden Bereiche (12) der ersten Strukturschicht (5).
Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die die erste Strukturschicht (5) auf einer der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge (1, 7) gegenüberliegenden Seite mit einer dritten optisch transparenten dielektrischen Schicht oder Schichtfolge (3, 8) verbunden ist.
Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dritte optisch transparente Schicht oder Schichtfolge (3, 8) eine Glas- oder Kunststoff-Scheibe (3) umfasst, die über eine Klebefolie (8) mit der ersten Strukturschicht (5) und der optisch transparenten Schicht oder Schichtfolge (1, 7) verbunden ist.
Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Strukturschichten (5, 6) mit den mit ihnen verbundenen optisch transparenten Schichten oder Schichtfolgen ein äußeres Verglasungselement (9) einer Doppelverglasung bilden, bei der zwischen dem äußeren Verglasungselement (9) und einem inneren Verglasungselement (4) ein mit einem Gas oder einer Gasmischung gefüllter Zwischenraum (10) vorhanden ist.
Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere Verglasungselement (4) auf einer zum Zwischenraum (10) gerichteten Seite mit einer Sonnen- oder Wärmeschutz-Beschichtung (11) versehen ist.
Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die lichtundurchlässigen oder lichtschwächenden Bereiche (12, 13) der beiden Strukturschichten (5, 6) parallel zueinander verlaufende Streifen bilden.
Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass gerade Verbindungslinien zwischen einander zugewandten Oberkanten jeweils nächstliegender Streifen der beiden Strukturschichten (5, 6) in der Bezugsebene ausgehend von der ersten Strukturschicht unter einem Winkel α zur Flächennormale (18) auf die Strukturschichten (5, 6) verlaufen, für den gilt: -34° ≤ α ≤ 60°, vorzugsweise 0°≤ α ≤ 42°, besonders bevorzugt 27°≤ α ≤ 42°, optimal α = σ_Grenz, wobei σ_Grenz der Grenzwinkel der Totalreflexion ist,
dass gerade Verbindungslinien zwischen Oberkanten der Streifen der zweiten Strukturschicht (6) und Unterkanten der Streifen der ersten Strukturschicht (5) jeweils nächstliegender Streifen der beiden Strukturschichten (5, 6) in der Bezugsebene ausgehend von der ersten Strukturschicht (5) unter einem Winkel γ zur Flächennormale (18) auf die Strukturschichten (5, 6) verlaufen, für den gilt: -30°≤ γ ≤ 80°, vorzugsweise σ_Grenz ≤ γ ≤ 80°, besonders bevorzugt σ_Grenz ≤ γ ≤ (σ_Grenz + 20°), optimal γ = σ_Grenz, wobei σ_Grenz der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, und
dass gerade Verbindungslinien zwischen einander zugewandten Unterkanten jeweils nächstliegender Streifen der beiden Strukturschichten (5, 6) in der Bezugsebene ausgehend von der ersten Strukturschicht (5) unter einem Winkel β zur Flächennormale (18) auf die Strukturschichten (5, 6) verlaufen, für den gilt: -34°≤ β ≤ 60°, vorzugsweise -10°≤ β ≤ 15°, besonders bevorzugt β = 0°.
Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Einsatz der Sonnenschutzvorrichtung in einer festgelegten Orientierung der Flächennormale zur Horizontalen (19) ein Abstand D zwischen Ober- und Unterkanten jeweils benachbarter Streifen der ersten Strukturschicht (5) so gewählt ist, dass Sonnenstrahlung ab einem Sonnenprofilwinkel σ_p von -20° ≤ σ_p ≤ 70°, bevorzugt 0° ≤ σ_p ≤ 45°, besonders bevorzugt 5° ≤ σ_p ≤ 25°, durch Zusammenwirken der Strukturschichten (5, 6) blockiert wird.
Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste (5) und/oder zweite Strukturschicht (6) aus einem Material gebildet sind, das eine Lichtdurchlässigkeit von ≤ 40%, vorzugsweise ≤ 10 %, besonders bevorzugt ≤ 3% aufweist.
Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste (5) und/oder zweite Strukturschicht (6) aus einem Material gebildet sind, das einen gerichtet diffusen Transmissionsgrad aufweist, der weniger als 20% eines gesamten Transmissionsgrades des Materials ausmacht.
Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste (5) und/oder zweite Strukturschicht (6) aus einem Material mit einem schaltbaren Transmissionsgrad, insbesondere einem elektrochromen oder gaschromen Material, gebildet sind.